水平井用液体胶塞制备与放大试验研究

李 欣 ，杨东海 ，黄 其 ，刘 音 ，冯国君 ，常 青 ，刘雨晨

（1．中国石油集团渤海钻探公司井下技术服务分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油厂地质研究所，天津 300283；3.中国石油集团渤海钻探公司工程技术研究院，天津 300280）

水平井用液体胶塞制备与放大试验研究

李 欣1，杨东海1，黄 其1，刘 音1，冯国君2，常 青3，刘雨晨1

（1．中国石油集团渤海钻探公司井下技术服务分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油厂地质研究所，天津 300283；3.中国石油集团渤海钻探公司工程技术研究院，天津 300280）

根据液体胶塞的作用和具体参数要求，制备出水溶性高分子聚合物的液体胶塞，让其在井筒内进行交联聚合反应，并以大块的形式固结实现对筛管壁与井壁的封堵。本研究考察了单体、引发剂、交联剂、温度等主要因素对液体胶塞强度的影响，并进行了35 kg级模拟水平井的放大试验。结果显示，当单体为丙烯酰胺且其质量分数为35%时，在60℃下用量10-5g数量级的过硫酸钾-亚硫酸氢钠引发剂，且用10-4g数量级的交联剂丙烯酸羟乙酯进行交联反应，制备的液体胶塞具有较好的强度且无脆性，可以满足施工的使用要求。

液体胶塞；筛管完井；环空封隔材料；高分子聚合物

20世纪90年代，国外开始研究植物胶液体胶塞，如 Halliburton公司的 Temblock-90、Phillips公司的Tempgel等，将其应用在修井、堵漏作业中，取得了不错的效果。液体胶塞的研究在国内尚处于起步阶段，渤海石油钻井公司报道的暂堵剂产品，是以乙醇为分散剂、四氯化钛为交联剂的田菁胶冻胶，但由于田菁胶浓度很低（1%～2%），应用受到限制[1]。1998年，由长庆石油勘探局钻采工艺研究院研制的植物胶液体胶塞是以胍胶为原料，其应用是将胶塞挤入射孔眼、裂缝、填砂层进行封堵，承压能力与炮眼等的孔径大小密切相关[2]。2008年，自破胶液体胶塞水平井分段射孔压裂工艺及胶塞申请国家专利，该胶塞是用胍胶粉剂制备胍胶基液后，利用交联剂交联制备而成的[3]。

国内外研究的液体胶塞堵剂都并非以大块的胶塞形式存在，而是通过挤入裂缝、炮眼等凝胶后起到封堵的作用，本公司对水平井筛管完井中所使用的化学手段封堵剂进行了调研，机械卡封的办法难以实施，主要依靠化学手段封堵，其中的核心技术为“环空封隔材料”，也叫“液体胶塞”，是大块存在于管外环空的封隔材料。我国环空封隔材料研制成功的首例是2008年中国石油大港油田公司研制的环空封隔液体胶塞，是以丙烯酸和淀粉接枝共聚，通过氧化剂引发产生爆聚，形成强凝胶产物。但反应聚合时间长达4 h～24 h，且稳定时间短在 24 h～48 h，适用于暂堵[4，5]。本公司研制出一种高分子液体胶塞，它具有成胶时间可控，可根据需求以达到施工要求的成胶时间，形成的胶塞均一、稳定、有强度、有韧性，且稳定时间较长，可在堵水施工完成后用化学和机械联合方法清除，也可用单一化学方法清除。

1 实验部分

1.1 实验原料

主要原料：丙烯酰胺、丙烯酸钠、丙烯磺酸钠 、偶氮二异丁腈、过硫酸钾-亚硫酸氢钠、过氧化苯甲酰、甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、硼砂、硼酸、硝酸铬、过硫酸钾、过硫酸铵、双氧水、次氯酸钠等皆为工业纯。

2 结果与讨论

2.1 单体种类及含量对液体胶塞强度的影响

选丙烯酰胺、丙烯酸钠、丙烯磺酸钠几种单体分别进行共聚反应制备液体胶塞，不同种类的单体对液体胶塞的性能影响不同。单体不同含量时的液体胶塞性质（见表1）。当单体含量较小时，所制备的液体胶塞强度较低；当单体含量较高时，由于反应大量的放热，导致聚合过程中有爆聚现象发生。单体质量分数为35%的液体胶塞强度较好，且不会出现爆聚现象。

表1 单体种类及含量对液体胶塞强度的影响（T=60℃）

2.2 引发剂种类及用量对液体胶塞强度的影响

选偶氮二异丁腈、过硫酸钾-亚硫酸氢钠、过氧化苯甲酰几种引发剂分别在60℃条件下引发共聚反应制备液体胶塞，不同种类及用量的引发剂对液体胶塞的强度影响不同，实验结果（见表2）。

表2 引发剂种类及用量对液体胶塞强度的影响（T=60℃）

由表2可知，用过硫酸钾-亚硫酸氢钠作为引发剂可以制备较高强度的液体胶塞。引发剂过硫酸钾-亚硫酸氢钠的用量对液体胶塞的初始交联时间和成胶时间有明显的影响（见表3）。

由表3数据可知，伴随引发剂用量的减少，液体胶塞的初始交联时间、成胶时间逐渐延长，初始交联时间应大于30 min，因此，引发剂的用量应控制在10-5g数量级。

表3 引发剂过硫酸钾-亚硫酸氢钠用量对初始交联时间、成胶时间的影响

2.3 交联剂种类及用量对液体胶塞强度的影响

选择两种有机交联剂甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯和三种无机交联剂硼酸、硼砂、硝酸铬，研究有机、无机交联剂对液体胶塞强度的影响。实验结果表明，利用有机交联剂交联形成的液体胶塞强度高于无机交联剂形成的液体胶塞强度。由于不同种类交联剂的主链长短不同，对交联后形成的聚合物液体胶塞的脆性和强度也明显不同（见表4）。当交联剂的主链较长时，所制备的液体胶塞的强度有所下降，而液体胶塞的脆性可以得到相应改善。交联剂的用量对液体胶塞的强度和脆性也有较大的影响，当交联剂用量较多时，液体胶塞的脆性较大，承压过程中较易脆裂；当交联剂用量较少时，虽韧性较好，但自身强度的提高不明显。

表4 交联剂甲基丙烯酸和丙烯酸羟乙酯用量对液体胶塞强度的影响

由表4中的数据可知，当交联剂甲基丙烯酸用量在10-4g数量级时，制备的液体胶塞具有较好的强度且脆性较小，可以满足使用要求；当交联剂丙烯酸羟乙酯的用量在10-4g数量级时，液体胶塞具有较好的强度且无脆性，也可以满足使用要求。

2.4 温度对破胶的影响

控制破胶温度为60℃，对不同破胶浓度下的4种破胶剂的破胶能力进行了研究，结果（见表5）。

表5 60℃条件下，4种破胶剂及其浓度变化对破胶效果的影响

由表5可知，伴随破胶剂浓度的增加，破胶液的破胶时间逐渐减少，其中，双氧水和次氯酸钠的破胶时间均可控制在4 h以内。60℃时，使用破胶剂次氯酸钠在破胶前（左）、破胶后3 h（右）对液体胶塞拍摄的照片（见图1），破胶剂次氯酸钠在3 h内可完成对液体胶塞的破胶，从右图可以看出，胶块已完全消失，成为液体状。

图1 液体胶塞破胶前（左）与破胶后3 h（右）的照片

2.5 35 kg级模拟水平井放大试验

将实验室取得的结果进行了35 kg级模拟水平井的放大试验，在模拟液体胶塞在水平井中成胶的条件下，进行了三次放大试验，得到了两个35 kg级液体胶塞的优化配方。前两次主要用单体丙烯酰胺及一些功能性的助剂，第三次使用单体丙烯酰胺和丙烯酸钠的复合体系。

模拟水平井制备的35 kg级液体胶塞装置（见图2），该装置管路内径为12 cm，长度为3.2 m，管路一侧装有进料管，且进料管上方装有球形阀，在管路的前、中、后三处装有热电耦温度计，该热电耦连接到温控记录仪，实时记录并描绘出温度-时间曲线。该温度-时间曲线能够准确表示反应起始时间及成胶时间。整个模拟水平井管路装置平躺在水浴中，水浴温度控制在60℃左右，另有三个热电耦温度计也分别置于水浴的前、中、后三处监控水浴的温度。

图2 35 kg级模拟水平井放大制备液体胶塞装置

温度60℃，对35 kg级模拟水平井制备的液体胶塞胶块进行了破胶试验，结果显示，胶块（见图3）在3 h内可以完全破胶（技术要求破胶时间小于5 h），破胶后的黏度小于10 mPa·s。根据模拟水平井装置三次放大试验的结果，制备的液体胶塞、优选的破胶剂配方和工艺的研究工作已获得进展。

图3 35 kg级模拟放大试验中所得的胶块实物

3 结论

（1）通过对高分子材料的原料进行筛选，制备出以水溶性高分子聚合物为材料的液体胶塞。当单体为丙烯酰胺且其质量分数为35%时，在60℃下用量10-5g数量级的过硫酸钾-亚硫酸氢钠引发剂，且用10-4g数量级的交联剂丙烯酸羟乙酯进行交联反应，制备的液体胶塞具有较好的强度且无脆性，可以满足施工的使用要求。

（2）将室内所得配方放大到35 kg级模拟水平井试验，结果显示，初始交联时间和成胶时间均达到技术指标要求；使用破胶剂次氯酸钠进行了破胶试验，胶块在3 h内可以完全破胶，破胶后的黏度小于10 mPa·s。

［1］李银素，陈淑生.抗高温完井暂堵剂［P］.中华人民共和国发明专利，CN1047686.

［2］杨洪志，朱建峰，管保山，等.植物胶液体胶塞CQTD-95及其暂堵技术研究［J］.油田化学，1998，15（3）：224-227.

［3］李宪文，赵文，李建山，等.自破胶液体胶塞水平井分段射孔压裂工艺及胶塞［P］.中华人民共和国发明专利，CN101270277.

［4］马如然，刘音，常青.油田压裂用暂堵剂技术［J］．天然气与石油，2013，31（6）：79-82.

［5］刘音，常青，谭锐，等.水平井控水用液体胶塞的室内合成研究［J］.石油化工应用，2015，34（8）：97-100.

Study on synthesis and magnifying test of liquid colloid plug for horizontal well

LI Xin1，YANG Donghai1，HUANG Qi1，LIU Yin1，FENG Guojun2，CHANG Qing3，LIU Yuchen1
（1.Downhole Technical Service Branch Company，BHDC，Tianjin 300283，China；2.The Fifth Geological Institute of Oil Recovery Plant，Dagang Oilfield，Tianjin 300283，China；3.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China）

The water-soluble polymer of liquid colloid plug was synthesized according to claims of function and specific parameters,and makes it is cross-linked in shaft,which become a big sheet control sieve tubes wall and well wall.In this present research,the effect of intensity for liquid colloid plug is investigated by monomer,initiator,cross-linkers,temperature,and so on,also carry out the bigger scale test of thirty-five kilogram horizontal wellbore.The study demonstrates that optimizing monomer acrylic amide and its optimal dosage is 35%,initiator potassium persulfate-sodium bisulfate and its optimal dosage is 10-5gram,cross-linkers hydroxyl-ethyl acrylate and its optimal dosage is 10-4gram magnitude,the synthesis of liquid colloid plug possess good intensity and without brittleness,and meet the requirement of construction progress.

liquid rubber plug；sieve tubes well completion；packing material；polymer

TE358.3

A

1673-5285（2017）10-0024-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.006

2017－08-30

李欣，男（1989-），工程师，硕士研究生在读，从事井下作业技术研究及项目管理工作，邮箱：674464937@qq.com。